Objective-C ARC内存管理的深入理解(一)

引子

这段时间一直在看关于内存管理的资料,把我整的够呛,尤其是看了
<Objective-C高级编程>、雷纯锋大神的<Objective-C Autorelease Pool 的实现原理>和Sunny大神的<黑幕背后的Autorelease>，这几份作品后，知识体系始终是零零碎碎的，脑袋一团糊浆。直到帮人分析了一个程序的Bug后，恍然大悟。本文主要参考以上几份作品，对ARC下的内存管理进行了实践与梳理，本人是iOS开发新手，文章有误之处请轻拍。

命名规则

根据苹果官方文档<Memory Management Policy>中所述，总结规则如下：

You take ownership of an object if you create it using a method whose name begins with “alloc”, “new”, “copy”, or “mutableCopy”.
使用以下名称开头的方法名意味着自己生成并持有对象:

• alloc
• new
• copy
• mutableCopy

这个命名规则并不是指命名规范之类的大家约定俗成的东西(譬如成员变量以_开头、驼峰拼写法等规范)，编译器会自动判断方法名字的开头是否符合以上命名规则，不遵循命名规则会遭到编译器的警告。下面看看一个例子：

上图中声明了一个以new开头的属性，编译器为我们生成了setter和getter方法，getter方法名如下:- (void)newPerson，根据命名规则，编译器认为我们要自己生成并持有一个对象，显然getter方法不产生新对象，于是编译错误。

这里提到的命名规则，对后文所述内容有帮助。

ARC规则

下面从一个例子入手：

在上图中，声明了两个以__weak所有权修饰符修饰的id类型对象。忽略obj1和obj2都有的一个未使用的警告。obj1还有一个警告，说对象创建后即会被释放（当然啦，生成的对象没有强引用指着，结果就挂了，弱引用不能持有对象实例）。可是为什么obj2没有该警告呢？
我们注意到obj2获取的对象是通过类方法获得的，根据命名规则，不是以alloc/new/copy/mutableCopy开头的方法，obj2取得的是非自己生成并持有的对象，那么显然，这个UIImage对象的持有者另有他人。

下面利用lldb指令，我们跟踪这两个对象的生命周期，由于test方法内部声明的两个变量是在栈上产生的局部变量，对后续工作有影响，我们将两个变量定义成成员变量。

在test开始前和开始后分别打上断点:

接下来我们运行程序，当来到第一个断点处，在控制台输入watchpoint set v _obj1和watchpoint set v _obj2，对这两个成员变量进行观测。

由于test方法前_obj1、_obj2都为nil，从控制台可以看到地址值0x00。
接下来点击继续:

我们发现Watchpoint 1 hit，即obj1的值发生了变化，这是因为

_obj1 = [[NSObject alloc] init];

_obj1指向了一个对象，我们再来看看左边的堆栈信息:

这里我们先留意这里有objc_storeWeak，后文会提到。
然后我们继续运行。

我们看到，_obj1挂掉了，它被置为了0x00，也就是nil。并且它是立即被释放了，为什么？ 因为_obj2都还没被赋值，_obj1就被release了。这时再看看堆栈信息。

可以看到几个关键词，"release(释放)"、"dispose(丢弃)"、"destructInstance(销毁实例)"。可以证明_obj1确实挂了，而且是立即被释放。
再点继续。

我们来到了42行的断点，这验证了刚创建就被释放的说法。
不管_obj1了，我们继续点运行。

这时，_obj2的值也被改变了，它指向的是UIImage实例对象。左边的堆栈信息和_obj1一样，就不截图了。下面再点运行。

代码安全地到了44行，_obj2并没有被释放。
我们继续运行，来到了_obj2被释放的时候：

这时再来看看堆栈信息：

这图与_obj1被释放时很相似，但请注意这里多了[UIImage dealloc]、[NSAutoreleasePool release]和 AutoreleasePoolPage等字眼。说明_obj2所指向的对象曾被加入了自动释放池并且在这个时候被释放了。

事实上，“自动释放池并不是在test方法作用域结束后释放池中对象的，而是在当前的runloop迭代结束时释放的，而它能够释放的原因是系统在每个runloop迭代中都加入了自动释放池Push和Pop。”

编译器做了什么？

当我们用所有权修饰符去声明时，编译器为我们做了什么？
先看看__strong下的情况。

{
    id __strong obj = [[NSObject alloc] init];
}

编译器将以上代码转换成以下代码，注意大括号标明作用域:

{
    /*编译器模拟代码*/
    id obj = obj_msgSend(NSObject,@selector(alloc));
    obj_msgSend(obj,@selector(init));
    obj_release(obj);
}

上面代码调用了两次obj_msgSend，分别调用了alloc方法和init方法，变量作用域结束时，通过obj_release释放了obj对象。__strong所修饰的局部变量的生命周期通常是花括号内，这与我们平常的认知相符。

然后看看__weak。

{
    id __weak obj1 =  obj;
}

其中假设obj被__strong修饰且有值。

{
   /*编译器模拟代码*/
   id obj1;
   objc_initWeak(&obj1,obj);
   objc_destroyWeak(&obj1);
}

首先来看看objc_initWeak函数。它先初始化__weak修饰的变量。

   obj1 = 0;
   objc_storeWeak(&obj1,obj);

objc_destroyWeak函数将0作为参数调用objc_storeWeak。

   objc_storeWeak(&obj1,0);

于是。前面那段代码与下面相同。

   obj1 = 0;
   objc_storeWeak(&obj1,obj);
   objc_storeWeak(&obj1,0);

“objc_storeWeak函数把第二参数的复制对象的地址作为键值，将第一参数的附有__weak修饰符的变量的地址注册到weak表中。如果第二参数为0，则把变量的地址从weak表中删除。weak表与引用计数表实现相同。”

回到前面的例子中！

{
    _obj1 = [[NSObject alloc]init];
}

这段代码将被编译器解释为：

{
   /*编译器模拟代码*/
   id obj1;
   id tmp = objc_msgSend(NSObject, @selecter(alloc));
   objc_msgSend(tmp, @selector(init));
   objc_initWeak(&obj1, tmp);
   objc_release(tmp);
   objc_destroyWeak(&obj1);
}

• id obj1，首先编译器为我们创建一个obj1变量
• id tmp = objc_msgSend(NSObject, @selecter(alloc))，创建了一个临时变量tmp存放调用NSObject的alloc方法的返回的实例
• objc_msgSend(tmp, @selector(init))，tmp继续发送init方法的消息，这时tmp是一个初始化完毕的实例对象的持有者
• 通过objc_initWeak(&obj1, tmp)函数初始化附有__weak修饰符的变量obj1，objc_initWeak(&obj1, tmp)函数内部又进行了obj1 = 0;和obj_storeWeak(&obj1, tmp)这两个步骤。
• obj_storeWeak(&obj1, tmp) 以tmp的赋值对象的地址作为键值，将附有__weak修饰符的obj1变量的地址注册到weak表中。
• 虽然通过alloc方法生成并持有了一个对象，但赋值给了附有__weak修饰符的变量，编译器判断这个对象不能继续被持有，通过objc_release(tmp)被立即释放和废弃了。
• objc_destroyWeak(&obj1)即obj_storeWeak(&obj1, 0)，将weak表中所有包含obj1变量地址的记录赋值为nil。然后删除该记录。

然后继续解释第二条_obj2 = [UIImage imageNamed:@"xxx"]。在这之前还需要补充一个知识点。

最优化——省略autoreleasepool注册
调用类方法，情况有些许不同。

{
    id __strong obj =  [NSMutableArray array];
}

{
   /*编译器模拟代码*/
   id obj = objc_msgSend(NSMutableArray, @selector(array));
   objc_retainAutoreleasedReturnValue(obj);
   objc_release(obj);
}

这条objc_retainAutoreleasedReturnValue是什么呢？

“objc_retainAutoreleasedReturnValue函数主要用于最优化程序运行。它是用于自己持有(retain)对象的函数，但它持有的对象应为返回注册在autoreleasepool中的对象的方法，或是函数的返回值。”

要想理解以上这段话的含义，还得看一个函数。
接下来看看NSMutableArray的array类方法经过编译器怎样的转换。

+ (id) array
{
   return  [[NSMutableArray alloc] init];
}

{
   /*编译器模拟代码*/
   id obj = objc_msgSend(NSMutableArray, @selector(alloc));
   objc_msgSend(obj, @selector(init));
   return objc_autoreleaseReturnValue(obj);
}

在alloc/new/copy/mutableCopy开头的方法以外的一些方法上，编译器判断是否为函数的返回值，自动将其注册到autoreleasepool中。返回注册到autoreleasepool中对象的方法使用了objc_autoreleaseReturnValue函数。
并且！：

objc_autoreleaseReturnValue函数会检查使用该函数的方法或函数调用方的执行命令列表，如果方法或函数的调用方在调用了方法或函数后紧接着调用objc_retainAutoreleasedReturnValue函数，那么就不将返回的对象注册到autoreleasepool中，而是直接传递到方法或函数的调用方。不将对象注册到autoreleasepool中，这一过程达到了最优化。

为了理解这段话，我又做了一个试验。
与之前一样，这里的_obj是id类型的弱指针

在36行断点时，我们跟踪成员变量的值。

继续运行。跟踪到了_obj1挂掉的时候。

再看看堆栈。

可以发现，它并不是通过自动释放池释放的！而是刚创建立刻被释放了
但为什么通过+ (UIImage *)imageNamed:(NSString *)name产生的对象是在自动释放池中的呢？说明这个方法是注册到自动释放池的。

回顾上面在模拟的代码

+ (id) array
{
   /*编译器模拟代码*/
   id obj = objc_msgSend(NSMutableArray, @selector(alloc));
   objc_msgSend(obj, @selector(init));
   return objc_autoreleaseReturnValue(obj);
}

显然，在调用array方法的过程中，使用了objc_autoreleaseReturnValue使编译器做了最优化的处理，使得返回值并没有注册到自动释放池中。

至于本文开头的例子为何+ (UIImage *)imageNamed:(NSString *)name方法产生的对象会被注册到自动释放池呢？

这是因为在苹果中，有一大类构造方法（constructor method），由它们构造的对象直接就是自动释放的对象；这一类构造方法叫做便捷方法。
比如:

1. NSArray 的arrayWithObjects :和 arrayWithArray :
2. UIImage 的imageNamed :
3. NSNumber 的 numberWithBool 等
4. NSString 的 stringWithFormat：

参考资料

• http://blog.sunnyxx.com/2014/10/15/behind-autorelease/
• http://blog.leichunfeng.com/blog/2015/05/31/objective-c-autorelease-pool-implementation-principle/
• http://blog.csdn.net/hherima/article/details/8776538?utm_source=tuicool
• <Objective-C高级编程:iOS与OS X多线程和内存管理>